A Monte Carlo method for accelerating the computation of animated radiosity sequences

Realistic rendering animation is known to be an expensive processing task when physically-based global illumination methods are used in order to improve illumination details. This paper presents an acceleration technique to compute animations in radiosity environments. The technique is based on an interpolated approach that exploits temporal coherence in radiosity. A fast global Monte Carlo pre-processing step is introduced to the whole computation of the animated sequence to select important frames. These are fully computed and used as a base for the interpolation of all the sequence. The approach is completely view-independent. Once the illumination is computed, it can be visualized by any animated camera. Results present significant high speed-ups showing that the technique could be an interesting alternative to deterministic methods for computing non-interactive radiosity animations for moderately complex scenarios

Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Desenvolupament, implementació i aplicació de noves metodologies per a l'estudi de la reactivitat química i de les propietats òptiques no lineals

El coneixement de la superfície d'energia potencial (PES) ha estat essencial en el món de la química teòrica per tal de discutir tant la reactivitat química com l'estructura i l'espectroscòpia molecular. En el camp de la reactivitat química es hem proposat continuar amb el desenvolupament de nova metodologia dins el marc de la teoria del funcional de la densitat conceptual. En particular aquesta tesis es centrarà en els següents punts: a) El nombre i la naturalesa dels seus punts estacionaris del PES poden sofrir canvis radicals modificant el nivell de càlcul utilitzats, de tal manera que per estar segurs de la seva naturalesa cal anar a nivells de càlcul molt elevats. La duresa és una mesura de la resistència d'un sistema químic a canviar la seva configuració electrònica, i segons el principi de màxima duresa on hi hagi un mínim o un màxim d'energia trobarem un màxim o un mínim de duresa, respectivament. A l'escollir tot un conjunt de reaccions problemàtiques des del punt de vista de presència de punts estacionaris erronis, hem observat que els perfils de duresa són més independents de la base i del mètode utilitzats, a més a més sempre presenten el perfil correcte. b) Hem desenvolupat noves expressions basades en les integracions dels kernels de duresa per tal de determinar la duresa global d'una molècula de manera més precisa que la utilitzada habitualment que està basada en el càlcul numèric de la derivada segona de l'energia respecte al número d'electrons. c) Hem estudiat la validesa del principis de màxima duresa i de mínima polaritzabiliat en les vibracions asimètriques en sistemes aromàtics. Hem trobat que per aquests sistemes alguns modes vibracionals incompleixen aquests principis i hem analitzat la relació d'aquest l'incompliment amb l'efecte de l'acoblament pseudo-Jahn-Teller. A més a més, hem postulat tot un conjunt de regles molt senzilles que ens permetien deduir si una molècula compliria o no aquests principis sense la realització de cap càlcul previ. Tota aquesta informació ha estat essencial per poder determinar exactament quines són les causes del compliment o l'incompliment del MHP i MPP. d) Finalment, hem realitzat una expansió de l'energia funcional en termes del nombre d'electrons i de les coordenades normals dintre del conjunt canònic. En la comparació d'aquesta expansió amb l'expansió de l'energia del nombre d'electrons i del potencial extern hem pogut recuperar d'una altra forma diferent tot un conjunt de relacions ja conegudes entre alguns coneguts descriptors de reactivitat del funcional de la densitat i en poden establir tot un conjunt de noves relacions i de nous descriptors. Dins del marc de les propietats moleculars es proposa generalitzar i millorar la metodologia pel càlcul de la contribució vibracional (Pvib) a les propietats òptiques no lineals (NLO). Tot i que la Pvib no s'ha tingut en compte en la majoria dels estudis teòrics publicats de les propietats NLO, recentment s'ha comprovat que la Pvib de diversos polímers orgànics amb altes propietats òptiques no lineals és fins i tot més gran que la contribució electrònica. Per tant, tenir en compte la Pvib és essencial en el disseny dels nous materials òptics no lineals utilitzats en el camp de la informàtica, les telecomunicacions i la tecnologia làser. Les principals línies d'aquesta tesis sobre aquest tema són: a) Hem calculat per primera vegada els termes d'alt ordre de Pvib de diversos polímers orgànics amb l'objectiu d'avaluar la seva importància i la convergència de les sèries de Taylor que defineixen aquestes contribucions vibracionals. b) Hem avaluat les contribucions electròniques i vibracionals per una sèrie de molècules orgàniques representatives utilitzant diferents metodologies, per tal de poder de determinar quina és la manera més senzilla per poder calcular les propietats NLO amb una precisió semiquantitativa.

Statistical inference of OH concentrations and air mass dilution rates from successive observations of non-methane hydrocarbons in single air masses

Bayesian inference has been used to determine rigorous estimates of hydroxyl radical concentrations () and air mass dilution rates (K) averaged following air masses between linked observations of nonmethane hydrocarbons (NMHCs) spanning the North Atlantic during the Intercontinental Transport and Chemical Transformation (ITCT)-Lagrangian-2K4 experiment. The Bayesian technique obtains a refined (posterior) distribution of a parameter given data related to the parameter through a model and prior beliefs about the parameter distribution. Here, the model describes hydrocarbon loss through OH reaction and mixing with a background concentration at rate K. The Lagrangian experiment provides direct observations of hydrocarbons at two time points, removing assumptions regarding composition or sources upstream of a single observation. The estimates are sharpened by using many hydrocarbons with different reactivities and accounting for their variability and measurement uncertainty. A novel technique is used to construct prior background distributions of many species, described by variation of a single parameter . This exploits the high correlation of species, related by the first principal component of many NMHC samples. The Bayesian method obtains posterior estimates of , K and following each air mass. Median values are typically between 0.5 and 2.0 × 106 molecules cm−3, but are elevated to between 2.5 and 3.5 × 106 molecules cm−3, in low-level pollution. A comparison of estimates from absolute NMHC concentrations and NMHC ratios assuming zero background (the “photochemical clock” method) shows similar distributions but reveals systematic high bias in the estimates from ratios. Estimates of K are ∼0.1 day−1 but show more sensitivity to the prior distribution assumed.

An integral equation method for a boundary value problem arising in unsteady water wave problems

In this paper we consider the 2D Dirichlet boundary value problem for Laplace’s equation in a non-locally perturbed half-plane, with data in the space of bounded and continuous functions. We show uniqueness of solution, using standard Phragmen-Lindelof arguments. The main result is to propose a boundary integral equation formulation, to prove equivalence with the boundary value problem, and to show that the integral equation is well posed by applying a recent partial generalisation of the Fredholm alternative in Arens et al [J. Int. Equ. Appl. 15 (2003) pp. 1-35]. This then leads to an existence proof for the boundary value problem. Keywords. Boundary integral equation method, Water waves, Laplace’s

The point source method for inverse scattering in the time domain

Many recent inverse scattering techniques have been designed for single frequency scattered fields in the frequency domain. In practice, however, the data is collected in the time domain. Frequency domain inverse scattering algorithms obviously apply to time-harmonic scattering, or nearly time-harmonic scattering, through application of the Fourier transform. Fourier transform techniques can also be applied to non-time-harmonic scattering from pulses. Our goal here is twofold: first, to establish conditions on the time-dependent waves that provide a correspondence between time domain and frequency domain inverse scattering via Fourier transforms without recourse to the conventional limiting amplitude principle; secondly, we apply the analysis in the first part of this work toward the extension of a particular scattering technique, namely the point source method, to scattering from the requisite pulses. Numerical examples illustrate the method and suggest that reconstructions from admissible pulses deliver superior reconstructions compared to straight averaging of multi-frequency data. Copyright (C) 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Effects of a non-chemical nematicide combined with soil solarization for the control of root-knot nematodes

The effectiveness of a formulated bio-nematicide product containing lyophilized bacteria spores of Bacillus firmus was evaluated against root-knot nematodes (RKN) in greenhouse and field experiments. A decrease of second stage juveniles hatching from eggs was recorded by using the bio-nematicide at a dose of 0.9 g kg(-1) of soil while further a decrease was recorded by doubling the dose. However, the mortality rate decreased as the inoculurn level increased. Exposure of either second stage juveniles or egg masses to temperatures of 35-40 degrees C for 1-4 weeks had a marked effect on their survival. In a field experiment, the bio-nematicide was evaluated for its potential to control RKN either as a stand-alone method or in combination with soil solarization. The latter was tested for 15-30 days and the bionematicide was applied just before soil coverage with the plastic sheet or just after its removal. Soil solarization either for 15-30 days provided satisfactory control of RKN. The combination of soil solarization with the bio-nematicide improved nematode control and gave results similar to the chemical treatment. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Origin of avian genome size and structure in non-avian dinosaurs

Avian genomes are small and streamlined compared with those of other amniotes by virtue of having fewer repetitive elements and less non-coding DNA(1,2). This condition has been suggested to represent a key adaptation for flight in birds, by reducing the metabolic costs associated with having large genome and cell sizes(3,4). However, the evolution of genome architecture in birds, or any other lineage, is difficult to study because genomic information is often absent for long-extinct relatives. Here we use a novel bayesian comparative method to show that bone-cell size correlates well with genome size in extant vertebrates, and hence use this relationship to estimate the genome sizes of 31 species of extinct dinosaur, including several species of extinct birds. Our results indicate that the small genomes typically associated with avian flight evolved in the saurischian dinosaur lineage between 230 and 250 million years ago, long before this lineage gave rise to the first birds. By comparison, ornithischian dinosaurs are inferred to have had much larger genomes, which were probably typical for ancestral Dinosauria. Using comparative genomic data, we estimate that genome-wide interspersed mobile elements, a class of repetitive DNA, comprised 5 - 12% of the total genome size in the saurischian dinosaur lineage, but was 7 - 19% of total genome size in ornithischian dinosaurs, suggesting that repetitive elements became less active in the saurischian lineage. These genomic characteristics should be added to the list of attributes previously considered avian but now thought to have arisen in non-avian dinosaurs, such as feathers(5), pulmonary innovations 6, and parental care and nesting

Large vibrational variational calculations using 'multimode' and an iterative diagonalization technique

We have favoured the variational (secular equation) method for the determination of the (ro-) vibrational energy levels of polyatomic molecules. We use predominantly the Watson Hamiltonian in normal coordinates and an associated given potential in the variational code 'Multimode'. The dominant cost is the construction and diagonalization of matrices of ever-increasing size. Here we address this problem, using pertubation theory to select dominant expansion terms within the Davidson-Liu iterative diagonalization method. Our chosen example is the twelve-mode molecule methanol, for which we have an ab initio representation of the potential which includes the internal rotational motion of the OH group relative to CH3. Our new algorithm allows us to obtain converged energy levels for matrices of dimensions in excess of 100 000.

Fecal water as a non-invasive biomarker in nutritional intervention: comparison of preparation methods and refinement of different endpoints

The assessment of cellular effects by the aqueous phase of human feces (fecal water, FW) is a useful biomarker approach to study cancer risks and protective activities of food. In order to refine and develop the biomarker, different protocols of preparing FW were compared. Fecal waters were prepared by 3 methods: (A) direct centrifugation; (B) extraction of feces in PBS before centrifugation; and (C) centrifugation of lyophilized and reconstituted feces. Genotoxicity was determined in colon cells using the Comet assay. Selected samples were investigated for additional parameters related to carcinogenesis. Two of 7 FWs obtained by methods A and B were similarly genotoxic. Method B, however, yielded higher volumes of FW, allowing sterile filtration for long-term culture experiments. Four of 7 samples were non-genotoxic when prepared according to all 3 methods. FW from lyophilized feces and from fresh samples were equally genotoxic. FWs modulated cytotoxicity, paracellular permeability, and invasion, independent of their genotoxicity. All 3 methods of FW preparation can be used to assess genotoxicity. The higher volumes of FWobtained by preparation method B greatly enhance the perspectives of measuring different types of biological parameters and using these to disclose activities related to cancer development.

A sparse parallel hybrid Monte Carlo algorithm for matrix computations

In this paper we introduce a new algorithm, based on the successful work of Fathi and Alexandrov, on hybrid Monte Carlo algorithms for matrix inversion and solving systems of linear algebraic equations. This algorithm consists of two parts, approximate inversion by Monte Carlo and iterative refinement using a deterministic method. Here we present a parallel hybrid Monte Carlo algorithm, which uses Monte Carlo to generate an approximate inverse and that improves the accuracy of the inverse with an iterative refinement. The new algorithm is applied efficiently to sparse non-singular matrices. When we are solving a system of linear algebraic equations, Bx = b, the inverse matrix is used to compute the solution vector x = B(-1)b. We present results that show the efficiency of the parallel hybrid Monte Carlo algorithm in the case of sparse matrices.

Finding the point on Bezier Curves with the normal vector passing an external point

Two algorithms for finding the point on non-rational/rational Bezier curves of which the normal vector passes through a given external point are presented. The algorithms are based on Bezier curves generation algorithms of de Casteljau's algorithm for non-rational Bezier curve or Farin's recursion for rational Bezier curve, respectively. Orthogonal projections from the external point are used to guide the directional search used in the proposed iterative algorithms. Using Lyapunov's method, it is shown that each algorithm is able to converge to a local minimum for each case of non-rational/rational Bezier curves. It is also shown that on convergence the distance between the point on curves to the external point reaches a local minimum for both approaches. Illustrative examples are included to demonstrate the effectiveness of the proposed approaches.

Flux difference splitting for inviscid, real gases with non-equilibrium chemistry

A flux-difference splitting method is presented for the inviscid terms of the compressible flow equations for chemical non-equilibrium gases

Numerical modelling of two-way propagation of non-linear dispersive waves

We describe and implement a fully discrete spectral method for the numerical solution of a class of non-linear, dispersive systems of Boussinesq type, modelling two-way propagation of long water waves of small amplitude in a channel. For three particular systems, we investigate properties of the numerically computed solutions; in particular we study the generation and interaction of approximate solitary waves.

Sex allocation and local mate competition in Old World non-pollinating fig wasps

The populations of many species are structured such that mating is not random and occurs between members of local patches. When patches are founded by a single female and all matings occur between siblings, brothers may compete with each other for matings with their sisters. This local mate competition (LMC) selects for a female-biased sex ratio, especially in species where females have control over offspring sex, as in the parasitic Hymenoptera. Two factors are predicted to decrease the degree of female bias: (1) an increase in the number of foundress females in the patch and (2) an increase in the fraction of individuals mating after dispersal from the natal patch. Pollinating fig wasps are well known as classic examples of species where all matings occur in the local patch. We studied non-pollinating fig wasps, which are more diverse than the pollinating fig wasps and also provide natural experimental groups of species with different male morphologies that are linked to different mating structures. In this group of wasps, species with wingless males mate in the local patch (i.e. the fig fruit) while winged male species mate after dispersal. Species with both kinds of male have a mixture of local and non-local mating. Data from 44 species show that sex ratios (defined as the proportion of males) are in accordance with theoretical predictions: wingless male species < wing-dimorphic male species < winged male species. These results are also supported by a formal comparative analysis that controls for phylogeny. The foundress number is difficult to estimate directly for non-pollinating fig wasps but a robust indirect method leads to the prediction that foundress number, and hence sex ratio, should increase with the proportion of patches occupied in a crop. This result is supported strongly across 19 species with wingless males, but not across 8 species with winged males. The mean sex ratios for species with winged males are not significantly different from 0.5, and the absence of the correlation observed across species with wingless males may reflect weak selection to adjust the sex ratio in species whose population mating structure tends not to be subdivided. The same relationship is also predicted to occur within species if individual females adjust their sex ratios facultatively. This final prediction was not supported by data from a wingless male species, a male wing-dimorphic species or a winged male species.